应用Bim 技术实现高铁隧道洞口的精准建模

欧阳艳*

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南，714099）

应用Bim 技术实现高铁隧道洞口的精准建模

欧阳艳*

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南，714099）

2011年住建部发布的相关文件，极大的推动了BIM技术在我国的应用，更多的施工企业开始将BIM技术作为投标合同的内容之一，以提高企业竞争力。CATIA作为BIM的核心建模软件之一，在飞机外形设计、盾构掘进机刀盘设计、机械产品的设计及装配等诸多领域成功应用，同时可为隧道工程精准建摸提供强大的平台支持，目前很少有针对高铁隧道复杂洞门精准建模的案例,本文以合福线凤凰山隧道洞门为例，利用洞门轮廓真实坐标值，提出了应用CATIA V5中Generative Shape Design和Part Design模块进行高铁隧道复杂洞门精准建模的具体方法，将对后期隧道空气动力效应分析、数值模拟、参数优化等工作有重要意义。

高速铁路；隧道洞门；三维建摸；CATIA V5；创程式外形设计

引言

BIM——Building Information Modeling，即建筑信息模型。1975年创建，2002年开始在工程建设领域出现并发展。BIM技术最早诞生于美国，其BIM应用最为广泛。在我国，长期以来，高铁隧道都采用AutoCAD进行设计，利用平、纵断面图和横断面图等设计图纸进行施工和技术交底，其缺陷是不具直观性，仅从二维图纸很难认清隧道主体结构与周围环境的关系，尤其不能反映围岩的基本情况，对施工安全管理不利。采用三维建模则可以带来便捷。由于政策支持，BIM技术已经从设计阶段向施工阶段延伸[1]，越来越多的项目招标合同将BIM作为亮点。应用BIM技术可将二维图纸转化为三维实体，提高可视性，进行各种模拟如施工模拟、节能模拟等，优化设计方案，进行成本控制，为后期的项目管理工作提供支持，其应用价值明显[2]。作为BIM的核心建模软件之一，Dassault公司的CATIA是全球最高端的机械设计制造软件，应用到工程建设行业无论是对复杂形体还是超大规模建筑其建模能力，表现能力和信息管理能力都比传统的建筑类软件有明显优势[3]。如郭禹彤[4]利用CATIA建立飞机展开壁板数字化模型。程佰兴，王作乾[5]应用CATIA进行盾构掘进机刀盘的有限元分析。李维学、王仲奇[6]等应用CATIA V5进行产品自动装配。高铁隧道曲线形的结构轮廓、曲线形的构件如钢拱架、基于曲线轮廓放置的锚杆等都适合采用CATIA作为设计平台实现精准建模。

高铁隧道洞门在设计时以美观实用、简洁大方、保护环境为原则，摒弃了传统的端墙式、翼墙式、台阶式等的洞门形式，多采用正切、斜切、倒切、弧形挡墙的形式。由于列车在通过隧道时，产生活塞效应，空气会形成压缩波，在隧道出口形成微气压波，导致噪音，为减小微气压波效应，我国高铁隧道常采用帽檐斜切式洞门。而隧道洞门参数将影响隧道空气动力效应[7]，因此对洞门进行精准建模是后续数值模拟、参数优化的基础和关键。本文以合福线上的凤凰山隧道洞门为例，提出了利用CATIA平台进行复杂洞门精准建模的具体方法。

1 工程概况

合福线上的凤凰山双线隧道全长495m，速度目标值350Km/h，隧道所在区域属于剥蚀低山区，地势起伏较大，自然边坡15o－25o。表层为粉质黏土，硬塑状，下伏基岩云母石英片岩，地表水为孔隙潜水，地下水为基岩裂隙水。洞门和洞身围岩均为Ⅴ级。出口及入口均采用帽檐斜切式洞门，斜切面坡度1：1.25，仰坡1：1.5。

图1 洞门正面图

图2 洞门剖视图

2 建模基础

（1）充分识读合福线双线隧道洞门工程图纸，搜集高铁隧道帽檐斜切式洞门施工的现场图片，理清洞门的空间结构，并在熟悉帽檐斜切式洞门施工工艺的基础上，应用CATIA V5对隧道洞门进行精准建模。

（2）建立坐标系：在 CATIA V5软件中新建一个名为suidaodongmen.CATPart的文件。首先建立坐标轴系。如图1、图2所示。Y轴指向线路延伸方向；X轴垂直于线路延伸方向；Z轴垂直于XY平面，为竖直方。同时设置原点位置 。

（3）建模单位设置：考虑与导入excel表格中的坐标值单位一致，减少由于换算导致的错误，设置建模的单位为mm。

（4）洞门结构沿隧道中轴面（洞门轮廓图中所示Y-Z面）对称，可利用洞门结构半侧坐标值进行建模。

3 建模方法

3.1 建模思路

CATIA软件建模的过程是由点生成线，由线到面，由面创建三维实体。基于坐标点控制线型，过程中根据空间距离值精确创建参考平面，从而保证由线生成的曲面或者由参考平面得到的曲面足够精确，最终准确建模。

分析该隧道洞门正面图和1-1剖视图，该洞门形状轮廓由A、B、C、D四条曲线确定，每条曲线均有半侧控制点的坐标值，利用对称可得曲线全部的控制点，在软件中首先生成所有控制点，然后绘制四条轮廓线，由线创建曲面最终形成实体洞门。

3.2 建模具体过程

（1）轮廓线A的绘制，将A轮廓半侧17个点的坐标值准确输入名为GSD_PointSplineLoftFro的excel表格中，从左至右依次为每个坐标点的 X、Y、Z坐标值，如图3所示。用 excel表格中查看宏并执行的命令将坐标导入到CATIA软件中，由此可自动生成空间中17个控制点，

如图4所示。选择所有控制点运用与YZ平面对称命令，得到另外17个控制点。

图3 洞门控制点坐标

图4 CATIA生成控制点

（2）进入Generative Shape Design模块，运用样条曲线命令，依次选择33个坐标点，形成洞门轮廓A曲线。其余三条曲线同法可绘制得到。

图5 洞门轮廓样条曲线

图6 洞门四条轮廓样条曲线

（3）创建帽檐曲面：运用桥接曲面命令，选择第一条曲线为曲线B，第二条曲线为曲线D，如图5 、图6所示。设置完成确定，得到第一个曲面。后桥接曲线D、C和桥接曲线A、B，形成帽檐外表面三个曲面，如图7所示。

图7 帽檐曲面

图8 创建参考平面

（4）创建洞身衬砌轮廓曲面：首先创建一个参考平面 1，使其为 ZX平面的偏移平面，设置偏移值为 18000mm。如图8所示。运用拉伸命令将样条曲线C沿Y轴拉伸至参考平面1。采用同种方法将曲线 A进行拉伸，得到后续部分衬砌内外轮廓，如图9所示。

图9 衬砌内外轮廓面

图10 隧道洞门实体

（5）创建洞门实体：运用桥接命令将底部和后部形成曲面。将所有曲面进行接合。运用封闭曲面命令形成实体。如图10所示。

4 结束语

Catiav5三维建模的基本思路是由点到线，由线到面，由面生成体。本文通过导入凤凰山隧道洞门轮廓线坐标值，利用catia v5 中Generative Shape Design 模块生成样条曲线，由曲线桥接生成面，利用Part Design模块，将所有曲面封闭形成实体，实现了复杂洞门基于坐标值的精准建模。

[1]贺灵童. BIM在全球的应用现状[J]. 工程质量,2013,(3)： 12-19.

[2]程建华,王辉. 项目管理中 BIM 技术的应用和推广[J]. 施工技术,2012： (8)：18-21.

[3]何关培. BIM和BIM相关软件[J]. 土木建筑工程信息技术,2010,(12)：110-117.

[4]郭禹彤. 基于 CATIA 的飞机展开壁板数字化模型建立研究[J]. 现代工业经济和信息化. 2016,(15)： 114-115.

[5]程佰兴,王作乾. 基于 CATIA的盾构掘进机刀盘的有限元分析[J].机械设计与制造,2008,(6)： 22-24.

[6]李维学,王仲奇,康永刚,等. 基于CATIA V5二次开发的产品自动装配[J]. 制造材料,2010,(1)： 40-43.

[7]张雷,杨明智,张辉,等. 高速铁路隧道洞门对隧道空气动力效应的影响[J]. 铁道学报， 2013,(11)： 92-97.

[8]李延. 宝兰客专石鼓山隧道BIM技术的研究及应用[J]. 铁路技术创新,2014,(5)： 64-65.

[9]李君君,李俊松,王海彦. 基于 BIM 理念的铁路隧道三维设计技术研究[J]. 现代隧道技术,2016,(2)： 6-10.

Apply Bim Technology to Construct Three-dimensional Model Accurately of the Tunnel Entrance

OUYANG Yan*
(Shaanxi Railway Engineering Vocational and Technical College,Shanxi Weinan,714099,China)

In 2011,the related documents issued by the department of housing construction have greatly promoted the application of BIM technology in China. More construction enterprises have begun to use BIM technology as one of the contents of the tender contract in order to improve the competitiveness of enterprises. As one of the core modeling software of BIM,CATIA has been successfully applied in many aspects,such as design of aircraft shape,design of cutter in shield tunneling machine,design and assembly of Mechanical product and so on,and it can provide powerful platform support for constructing three-dimensional model accurately in tunnel engineering .At present,there are rare cases of precise modeling of complex tunnel doors in high-speed railway. This paper is taking Feng Huang Shan tunnel door of Hefei -Fuzhou railway as an example,using the true coordinates of the profile on tunnel door. it proposes the concrete method of constructing three-dimensional model accurately of the complicated high - speed railway tunnel entrance by using generative shape design and part design of catia v5,it has important significance in the analysis of Tunnel aerodynamic effects,numerical simulation and parameter optimization on late stage.

high - speed railway，tunnel door，Three-dimensional modeling ，CATIA V5，Generative Shape Design

U455

A

1672-9129(2017)06-0072-03

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.025

欧阳艳. 应用Bim技术实现高铁隧道洞口的精准建模[J]. 数码设计,2017,6(6)： 72-74.

Cite：OUYANG Yan. Apply Bim Technology to Construct Three-dimensional Model Accurately of the Tunnel Entrance[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 72-74.

2017-02-05；

2017-03-08。

欧阳艳（1982-04），女，陕西渭南，讲师，硕士研究生，研究方向：土木工程。

Email：kdzp001@163.com